液晶衍射现象的实验研究

蒋 骥，朱宏宇，周 衍，甘 晓，顾 源，周 进，潘永华

（南京大学a.匡亚明学院；b.物理学院，江苏南京210093）

1 引 言

液晶是一种介于传统液体和固态晶体之间的特殊物质相[1]，它的电光效应是最为关注的特性.使用北京方式公司生产的液晶电光效应实验仪器，实验时发现一种有趣的现象，当所加交流电压峰峰值在4.5～11V之间时液晶光学器件的透明度下降，5.0V以上出射光会出现明显的类似光栅的衍射现象，在屏上形成衍射斑，且各级衍射斑间的偏振态也按一定规律分布.对此我们从实验上进行了探索与研究.

2 不同电压条件下的衍射光斑

图1为测量液晶电光效应的实验装置示意图，图2为此种液晶光学器件的电光效应曲线.从图2可看出，当驱动电压超过阈值（约为4.0V）时，开始产生电光效应.与传统的液晶光学器件的电光效应曲线[2]不同的是，驱动电压在4.0～4.5V时透过率不断下降，约在5.0V时达到极小值，并且在5.0V以上，上升幅度也小于传统液晶，这时会出现衍射现象.

图1 液晶电光效应实验装置示意图

图2 液晶光学器件电光效应曲线

当液晶光学器件上加频率为25kHz的正弦波时，出射光会出现衍射现象，图3显示不同电压条件下的衍射图样，衍射图样由水平方向上的衍射光斑和以0级光斑为圆心的圆环状衍射图样构成，并且在电压逐渐增大的过程中液晶的衍射图样会发生变化.电压为5.3V时，衍射光斑和圆环状衍射图样都较为模糊，到6.3V时，圆环状衍射图样比较清晰，且各级衍射光斑都位于圆环状衍射图样的各级环带上，随着电压的增大，圆环状衍射图样逐渐模糊，衍射光斑逐渐清晰，8.8V时圆环状衍射图样已基本模糊，中心处5级衍射光斑却清晰可辨，9.7V时，衍射光斑变得更为明亮，到11.3V时光栅衍射现象基本消失，出射光恢复为点光斑.

图3 不同电压条件下的衍射图样

3 光栅衍射斑点偏振态的分析

实验中当电压在8.5V左右时，会出现较为清楚的衍射图样，当旋转如图4所示的检偏器时，对称位置上的±1级和±2级光斑的光强总是同步变化的，但是不同级光斑的光强变化各异，在44°时±1级光斑光强同时达到最小值，35°时±2级光斑光强也同时达到最小值，0°时0级光斑的光强最小，图5是旋转检偏器至不用方位时采集到的衍射图样.同时注意到转动检偏器，各级光斑的最小值都不能到达0，表明各级衍射斑已不是线偏振光.

图4 衍射斑点偏振态分析实验图

在液晶光学器件与检偏器之间加1／4波片，就可以检验各级衍射光斑的偏振态.由于各级光斑都不会完全消光，即各级光斑可能是椭圆偏振光或部分偏振光.对于0级光斑，在未加1／4波片时测得，加上1／4波片时测得，说明其为椭圆偏振光.其他各级光斑也可同法检验.

4 衍射条件下液晶微结构的观察

图6 偏光显微镜下液晶盒在不同电压下的相态

图6是在50×10倍率下偏光显微镜观察到的不同电压所对应液晶的相态.同样在25kHz的交流电压下，在驱动电压为4.5V时沿液晶盒长边方向形成较长的主干织状结构，随着电压的增大，主干织状结构向垂直于长边方向扭曲，更细密的结构也沿着垂直于长边的方向进行填隙，电压7V左右已布满整个视场，并保持到11V左右，11V以上织状条纹消退，很快就全部消失.通过测量其织状条纹的宽度在6μm左右，与在同样条件下的各级衍射斑所对应的衍射角能很好地满足光栅方程.同时可以发现，电压变化时，光栅的分级衍射条纹的出现和消退是与纵向织状条纹的出现和消退相一致的.这种现象与Williams domains有些相似[3－6].

5 结束语

实验中的液晶光学器件，外加频率25kHz的交流电，电压在5～11V时，会产生明显的衍射现象.本文从分析实验测量的电光效应曲线入手，结合实验具体的阐释了电光效应曲线中所出现的透过率极小值和透过率上升梯度小的问题，同时也对不同电压下的衍射现象做了全面的观察，呈现出衍射光斑随电压的渐变过程，与偏光显微镜下观察的该液晶盒内部液晶相态随电压的渐变过程相一致，两者的周期能很好的满足光栅方程.进一步地对衍射光斑的偏振态进行了研究，发现了对称级光斑偏振态的相似性和不同级光斑偏振态的差异性，这一现象也许预示着液晶的一些尚不为人所知的特性和用途.

[1] Chandrasekhar S.Liquid crystals[M].Cambridge：Cambridge University Press，1994：1－40.

[2] Lee Ju－hyun，Ge Zhi－bing，Wu Shin－tson.Electrooptic properties of a homeotropic liquid crystal cell with 90°surface rubbings and a reverse－handed chiral dopant[J].Appl.Phys.Lett.，2007，90：201108.

[3] Williams R.Domains in liquid crystals[J].Journal of Chem.Phys.，1963，39：384.

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[5] Heilmeier G H，Zanoni L A，Barton L A.Dynamic scattering：a new electro－optic effect in certain classes of nematic[J].Proc.IEEE，1968，56：1162－1171.

[6] Heilmeier G H，Zanoni L A，Barton L A.Further studies of the dynamic scattering mode in nematic liquid crystals[J].IEEE Transactions on Electron Devices，1970，17（1）：22－26.